工學材料力學課件

材料力學課件本課件將深入探討材料力學的基礎知識，幫助你掌握各種材料的力學性能，并了解如何運用這些知識解決實際工程問題。課程簡介目標幫助學生掌握材料力學的基本概念、原理和方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學習奠定基礎，并為今后從事工程設計、制造和研究工作提供必要的理論知識和技能。內(nèi)容涵蓋應力應變、軸向拉伸和壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、梁的彎曲、應力集中、穩(wěn)定性、能量方法、斷裂力學等內(nèi)容。教學方法課堂講授、習題練習、實驗教學等多種方式相結(jié)合，注重理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學生的實踐能力。力的概念1定義力是物體之間的相互作用,力可以改變物體的運動狀態(tài)或形狀.2性質(zhì)力具有大小和方向,是矢量,力的作用是相互的.3分類根據(jù)力的作用方式和性質(zhì),力可分為接觸力和非接觸力.力的表示力是矢量，具有大小和方向。力的大小可以用數(shù)值表示，力的方向可以用箭頭表示。力的表示方法主要有以下幾種：箭頭表示法：用帶箭頭的線段表示力，箭頭指向力的方向，線段長度表示力的大小。坐標系表示法：用坐標系表示力，力的方向用角度表示，力的大小用坐標值表示。解析式表示法：用解析式表示力，力的方向用方向余弦表示，力的大小用數(shù)值表示。力的分解平行四邊形法則將力分解為兩個相互垂直的分力，利用平行四邊形法則進行分解。三角形法則利用三角形法則，將力分解為兩個分力，應用正弦和余弦定理進行計算。投影法將力投影到坐標軸上，利用投影法得到力在各個方向上的分力。力的合成1平行力系所有力的作用線互相平行2匯交力系所有力的作用線相交于一點3一般力系既不平行也不匯交平衡條件靜止平衡物體保持靜止狀態(tài)，即合力為零且合力矩為零。動態(tài)平衡物體以恒定速度運動，即合力為零且合力矩為零。材料的基本性質(zhì)強度材料抵抗破壞的能力，反映材料承受載荷的能力。彈性材料在外力作用下發(fā)生變形，當外力消失后能恢復原來形狀的能力。塑性材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不發(fā)生斷裂的能力。硬度材料抵抗壓入或劃痕的能力。應力和應變的定義應力材料內(nèi)部抵抗外力作用的內(nèi)力，通常用單位面積上的力來表示。應變材料在外力作用下發(fā)生的形變，通常用形變量與原尺寸之比來表示。正應力和切應力正應力垂直于截面的內(nèi)力，也稱為法向應力。切應力平行于截面的內(nèi)力，也稱為剪應力。應變與位移的關(guān)系1應變定義材料在外力作用下，其尺寸或形狀發(fā)生變化，稱為應變。2位移定義材料在外力作用下，其位置發(fā)生變化，稱為位移。3關(guān)系應變是位移變化量的度量，通常用位移變化量與原尺寸的比值表示。彈性模量和泊松比彈性模量材料抵抗形變的能力。泊松比材料橫向變形與軸向變形之比。應力-應變關(guān)系材料的應力-應變關(guān)系描述了材料在受力時其應力和應變之間的關(guān)系。它反映了材料的機械性能，如彈性、塑性、強度等。應力-應變關(guān)系通常通過實驗測試獲得，并可以用曲線表示。曲線上的點代表材料在不同載荷下的應力和應變狀態(tài)。軸向受力1應力計算計算拉伸或壓縮應力2變形分析確定桿件的伸長或縮短3強度校核判斷桿件是否能承受外力扭轉(zhuǎn)扭矩扭矩是作用于物體上的力矩，它使物體繞其軸線旋轉(zhuǎn)。剪應力扭轉(zhuǎn)時，物體內(nèi)部產(chǎn)生剪應力，大小與扭矩成正比。扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)角是物體在扭轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生的角位移。扭轉(zhuǎn)強度扭轉(zhuǎn)強度是指物體在扭轉(zhuǎn)作用下所能承受的最大扭矩。彎曲1彎曲應力彎曲時，材料內(nèi)部產(chǎn)生正應力和切應力2彎曲變形彎曲變形表現(xiàn)為梁的彎曲和撓度3彎曲強度材料抵抗彎曲破壞的能力復合應力狀態(tài)多元化應力材料同時承受正應力和切應力，這種狀態(tài)稱為復合應力狀態(tài)。復雜性分析復合應力狀態(tài)的分析相對復雜，需要考慮應力的相互影響。典型應用常見的復合應力狀態(tài)包括彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切，廣泛存在于工程結(jié)構(gòu)中。應力集中幾何形狀的影響孔洞、缺口、尖角等幾何形狀會導致應力集中，使應力在這些區(qū)域顯著增大。強度降低應力集中會降低材料的抗拉強度，甚至導致裂紋的產(chǎn)生，進而引發(fā)材料的斷裂。設計考慮在設計時，應盡量避免應力集中，例如采用圓角過渡、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方法。柱體的穩(wěn)定性軸向壓力柱體在軸向壓力作用下可能會失去穩(wěn)定性，發(fā)生彎曲變形。臨界壓力臨界壓力是指使柱體發(fā)生失穩(wěn)的最小壓力值，可以通過公式計算。影響因素柱體的長度、截面形狀、材料特性等因素都會影響其穩(wěn)定性。能量方法功-能原理通過功和能的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系求解結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。勢能方法利用勢能的概念分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和臨界載荷。應變能法根據(jù)應變能的概念分析結(jié)構(gòu)的變形和應力分布。虛功原理1基本概念在力學系統(tǒng)中，虛位移是系統(tǒng)在受力狀態(tài)下可能發(fā)生的微小位移，但并不一定實際發(fā)生。2虛功定義虛功是指外力在虛位移上所做的功。3原理內(nèi)容當一個力學系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，系統(tǒng)上所有外力在任何虛位移上所做的功之和為零。極限分析強度極限材料在抵抗外力作用下發(fā)生破壞時的應力值屈服極限材料開始發(fā)生永久變形時的應力值塑性極限材料在發(fā)生永久變形后仍然能夠承受的應力值塑性變形永久變形塑性變形指的是材料在受到外力作用后發(fā)生永久變形，即使外力移除后，變形也不會恢復。應力-應變曲線塑性變形發(fā)生在材料的屈服點之后，應力-應變曲線不再是線性的，而是呈非線性。冷加工冷加工是在室溫下進行的塑性變形，可以提高材料的強度和硬度，但也可能導致材料變脆。熱加工熱加工是在高溫下進行的塑性變形，可以改善材料的塑性和韌性，并減小材料的內(nèi)應力。斷裂力學基礎裂紋擴展研究裂紋在應力作用下的擴展行為，包括裂紋尖端應力場和裂紋擴展條件。應力強度因子用來描述裂紋尖端應力場的特征參數(shù)，用于評估裂紋擴展的風險。斷裂韌性材料抵抗裂紋擴展的能力，反映了材料的抗斷裂性能。疲勞與斷裂疲勞材料在反復荷載作用下，在低于材料屈服極限的應力水平下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。斷裂材料在靜態(tài)荷載作用下，當應力達到材料的斷裂強度時發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。軟件應用舉例常用的材料力學分析軟件可以幫助工程師進行結(jié)構(gòu)設計和分析。例如，ANSYS、ABAQUS和SolidWorks等軟件能夠進行有限元分析，模擬材料的力學行為，并預測結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性。實驗測試方法1拉伸試驗材料抗拉強度2壓縮試驗材料抗壓強度3彎曲試驗材料抗彎強度4扭轉(zhuǎn)試驗材料抗扭強度5沖擊試驗材料韌性案例分析橋梁分析橋梁結(jié)構(gòu)在承受交通荷載和風荷載下的應力分布和變形情況?？紤]橋梁材料的強度和剛度，評估橋梁的安全性和耐久性。建筑分析建筑結(jié)構(gòu)在地震荷載和風荷載下的應力分布和變形情況?？紤]建筑材料的強度和剛度，評估建筑的安全性和耐久性。機械分析機械零件在工作狀態(tài)下的應力分布和變形情況?？紤]材料的疲勞特性，評估零件的壽命和可靠性。課程小結(jié)重點內(nèi)容回顧從力的概念到材料力學基礎，回顧課程的關(guān)鍵知識點。應用領(lǐng)域介紹了解材料力學在工程實踐中的應用，如橋梁、建筑、機械設計等。未來展望展望材料力學未來發(fā)展趨勢，包括新材料、計算力學等領(lǐng)域。考核方式1課堂測驗課堂測驗主要考察學生對知識點的掌握程度。2作業(yè)練習作業(yè)練習旨在鞏固課堂所學知識，并培養(yǎng)學